回采工作面双巷、多巷布置中的留巷,受相邻工作面和本工作面二次采动影响,采动影响强烈,维护时间长,巷道变形强烈,支护难度大。本论文针对留巷变形与破坏特点,以潞安余吾煤业工作面双巷布置中的留巷为工程背景,提出一种控制留巷变形的新方法—定向水力压裂留巷卸压技术。采用理论分析、数值模拟、实验室试验及井下试验相结合的方法,开展了留巷定向水力压裂卸压机理及应用研究。论文研究内容包括四个方面:(1)理论分析了留巷定向水力压裂卸压机理及适用条件;(2)数值模拟研究了定向水力压裂裂隙扩展规律及主要影响因素;(3)室内真三轴水力压裂试验揭示了地应力和层理方向对定向水力压裂裂纹扩展方向及形态的影响规律;(4)开展了定向水力压裂留巷卸压井下试验和综合监测。通过论文研究,取得以下主要结论:(1)回采工作面双巷布置留巷大变形的主要原因是,在已采工作面后方,上部坚硬厚顶板难以及时跨落而形成悬顶,引起煤柱承受过大的支承压力,致使留巷受力恶化。定向水力压裂卸压机理是采用水力压裂消除或减弱坚硬顶板形成的悬顶效应,改变应力转移和分配比例,改善留巷受力状态。(2)影响留巷卸压效果的主要因素是煤柱上方坚硬顶板的悬顶效应。坚硬顶板厚度或悬臂区面积越大,悬顶效应越强,回采后留巷变形越大,破坏也越严重。同时,悬顶效应越强,采用水力压裂卸压后,留巷变形减少幅度越大,卸压效果也越明显。(3)主应力差值和岩体的拉伸强度是决定水力压裂破裂压力的两个主要因素。最小主应力提高或主应力差值减小,所需要的压裂压力相应提高;岩体拉伸强度提高,所需要的压裂压力相应提高。(4)水力压裂裂隙在钻孔未切槽时,最小主应力对裂隙扩展方向具有控制作用。钻孔横向切槽是形成定向水力压裂裂隙的有效方法。主应力差值符合一定条件,在钻孔壁上横向切槽,可以在切槽方向形成水力压裂裂隙面,最小主应力对水力压裂裂隙的扩展方向不再具有控制作用;切槽方向与最小主应力的夹角增加或者主应力差值减少,有利于增强切槽对裂隙面扩展的控制作用。(5)预制切槽的大尺寸砂岩试样在高地应力差、水平层理方案下切槽附近的裂纹沿着切槽方向扩展形成非常明显的主裂缝,裂纹尺度和延伸距离较大,且出现多条裂缝与原生结构面交汇,形成较为复杂的裂缝网络,切槽效果比较明显;在低地应力差和竖直层理方向方案下微裂纹数量较多,没有明显的主裂缝,且方向多样,切槽效果不太明显。而且,无论在哪种试验方案下,裂纹最终在试样空间形成的主裂缝方向均与最大水平主应力方向一致,切槽可控制切槽附近裂纹扩展的方向,距离切槽较远的裂纹扩展方向垂直于最小水平主应力。(6)在余吾煤业井下开展定向水力压裂卸压试验,综合监测数据表明:水力压裂卸压后,留巷顶底板移近量降低50%,两帮移近量降低30%。井下试验不仅取得较好的卸压效果,而且验证了理论分析与数值模拟结果的正确性。